Η σκοτεινή ύλη μπορεί να εντοπίστηκε κατά λάθος πριν από επτά χρόνια, υποστηρίζει νέα μελέτη
Αν οι μαύρες τρύπες συγκρουστούν ενώ περιβάλλονται από σκοτεινή ύλη, τότε οι κυματισμοί που στέλνουν στο σύμπαν θα μπορούσαν να φέρουν ένα «αποτύπωμα» αυτού του περιβάλλοντος
Snapshot
- Μια διεθνής ομάδα ερευνητών εντόπισε πιθανό αποτύπωμα σκοτεινής ύλης σε βαρυτικά κύματα από σύγκρουση μαύρων τρυπών το 2019.
- Η σκοτεινή ύλη μπορεί να επηρεάζει τα βαρυτικά κύματα, προκαλώντας διαφορές αν η σύγκρουση συμβαίνει μέσα σε νέφος σκοτεινής ύλης.
- Η μέθοδος ανάλυσης βαρυτικών κυμάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναζήτηση ενδείξεων σκοτεινής ύλης στο μέλλον.
- Τα δεδομένα από 28 συγκρούσεις μαύρων τρυπών έδειξαν ότι μόνο μία περίπτωση, το σήμα GW190728, παρουσιάζει πιθανή ένδειξη παρουσίας σκοτεινής ύλης.
- Οι επιστήμονες επισημαίνουν ότι χρειάζονται περισσότερες παρατηρήσεις για να επιβεβαιώσουν την ανίχνευση σκοτεινής ύλης και δεν κάνουν οριστικούς ισχυρισμούς.
Η σκοτεινή ύλη διαφεύγει της ανίχνευσης των επιστημόνων εδώ και δεκαετίες, όμως ερευνητές υποστηρίζουν τώρα ότι ίσως εντοπίστηκε κατά λάθος πριν από επτά χρόνια.
Παρότι αποτελεί έως και το 85% της ύλης του σύμπαντος, η σκοτεινή ύλη είναι εντελώς αόρατη στα τηλεσκόπιά μας.
Ωστόσο, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων προτείνει ότι αυτή η μυστηριώδης ουσία ίσως αφήνει ένα ανεπαίσθητο ίχνος στα βαρυτικά κύματα που εκπέμπονται από συγκρούσεις μαύρων τρυπών.
Αν οι μαύρες τρύπες συγκρουστούν ενώ περιβάλλονται από σκοτεινή ύλη, τότε οι κυματισμοί που στέλνουν στο σύμπαν θα μπορούσαν να φέρουν ένα «αποτύπωμα» αυτού του περιβάλλοντος.
Σε νέα μελέτη, οι ερευνητές αναφέρουν ότι βρήκαν αυτό το χαρακτηριστικό αποτύπωμα στα δεδομένα μιας σύγκρουσης μαύρων τρυπών που είχε εντοπιστεί ήδη από το 2019.
Οι επιστήμονες λένε πως απαιτούνται περισσότερες παρατηρήσεις προτού μπορέσουν να ισχυριστούν ότι «ανίχνευσαν» σκοτεινή ύλη, όμως η νέα μέθοδος ίσως βοηθήσει στον εντοπισμό ακόμη περισσότερων ενδείξεων στο μέλλον.
Η δρ Κέιτι Κλαφ, ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο Queen Mary του Λονδίνου και συν-συγγραφέας της μελέτης, δήλωσε στη Daily Mail: «Τα στοιχεία που βρήκαμε στα δεδομένα δεν είναι επαρκή ώστε να είμαστε βέβαιοι για αυτό που βλέπουμε και πρέπει να εξετάσουμε και άλλες πιθανότητες.
Ωστόσο, αποτελεί μια ενδιαφέρουσα ένδειξη ότι ίσως συμβαίνει κάτι, και επειδή αναμένουμε περισσότερα σήματα από συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών τα επόμενα χρόνια, αν πρόκειται όντως για υπογραφή σκοτεινής ύλης, θα την ξαναδούμε».
Όταν ένα ζευγάρι μαύρων τρυπών – γνωστό ως δυαδικό σύστημα – περιστρέφεται σπειροειδώς η μία γύρω από την άλλη πριν συγκρουστεί, δημιουργεί τόσο ισχυρές βαρυτικές δυνάμεις ώστε προκαλεί κύματα στον χωροχρόνο.
Αυτοί οι κυματισμοί τεντώνουν και συμπιέζουν την ίδια την πραγματικότητα καθώς ταξιδεύουν στο σύμπαν, δημιουργώντας απειροελάχιστες διαταραχές που μπορούν να καταγράψουν εξειδικευμένοι ανιχνευτές στη Γη.
Η δρ Κλαφ εξηγεί ότι τα βαρυτικά κύματα «κωδικοποιούν πληροφορίες για το γεγονός που τα δημιούργησε, με τον ίδιο τρόπο που τα ηχητικά κύματα κωδικοποιούν πληροφορίες για το σχήμα και το μέγεθος ενός μουσικού οργάνου που παίζεται».
Αυτό σημαίνει ότι οι κυματισμοί αυτοί θα πρέπει να εμφανίζονται ελαφρώς διαφορετικοί αν η σύγκρουση συνέβη μέσα σε ένα πυκνό νέφος σκοτεινής ύλης αντί για κενό διάστημα.
Σύμφωνα με μία θεωρία, η σκοτεινή ύλη αποτελείται από «ελαφριά βαθμωτά» σωματίδια, τα οποία είναι ασύλληπτα μικρότερα ακόμη και από το ηλεκτρόνιο.
Παρότι αυτά τα σωματίδια δεν αλληλεπιδρούν με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, εξακολουθούν να παράγουν τις βαρυτικές επιδράσεις που οι επιστήμονες αποδίδουν στη σκοτεινή ύλη.
Το σημαντικό είναι ότι, ενώ αυτού του τύπου η σκοτεινή ύλη συνήθως συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο, κοντά σε μια μαύρη τρύπα μπορεί να λειτουργήσει και σαν συντονισμένο κύμα.
Όταν κύματα σκοτεινής ύλης συγκρούονται με μια ταχύτατα περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα, οι επιστήμονες προβλέπουν ότι μέρος της περιστροφικής ενέργειας της μαύρης τρύπας μεταφέρεται στη σκοτεινή ύλη.
Σε ένα φαινόμενο γνωστό ως «υπερακτινοβολία» (superradiance), αυτό ενισχύει τα κύματα σκοτεινής ύλης, αυξάνοντας δραματικά την πυκνότητά τους – όπως όταν χτυπάμε την κρέμα γάλακτος και γίνεται βούτυρο.
«Η παρουσία σημαντικής ποσότητας σκοτεινής ύλης γύρω από ένα δυαδικό σύστημα μαύρων τρυπών δημιουργεί μια δύναμη αντίστασης στην κίνησή τους», λέει η δρ Κλαφ.
«Αυτό σημαίνει ότι τα συστήματα χάνουν ενέργεια πιο γρήγορα και τείνουν να πλησιάζουν το ένα το άλλο και να συγχωνεύονται ταχύτερα απ’ ό,τι θα συνέβαινε χωρίς σκοτεινή ύλη».
Αν η σκοτεινή ύλη είναι αρκετά πυκνή, αυτό θα δημιουργήσει μια μετρήσιμη διαφορά στο σήμα των βαρυτικών κυμάτων, την οποία τα παρατηρητήρια θα μπορούσαν να εντοπίσουν.
Στη νέα μελέτη, οι επιστήμονες δημιούργησαν ένα μαθηματικό μοντέλο για να προβλέψουν πώς θα έμοιαζαν τα βαρυτικά κύματα από τη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών σε κενό διάστημα και πώς μέσα σε ένα νέφος σκοτεινής ύλης.
Με βάση αυτό το μοντέλο, πραγματοποίησαν προσομοιώσεις μαύρων τρυπών διαφορετικού μεγέθους που συγκρούονταν με διαφορετικές ταχύτητες και μέσα σε νέφη σκοτεινής ύλης διαφορετικής πυκνότητας.
Στη συνέχεια συνέκριναν αυτές τις προσομοιώσεις με τα 28 καλύτερα σήματα συγχωνεύσεων μαύρων τρυπών που κατέγραψε το δίκτυο παρατηρητηρίων LIGO–Virgo–KAGRA.
Από αυτά, τα 27 έδειξαν ξεκάθαρα ότι προήλθαν από συγκρούσεις στο κενό διάστημα, όμως ένα παρουσίασε μια πολλά υποσχόμενη ένδειξη αποτυπώματος σκοτεινής ύλης.
Το σήμα GW190728, που πήρε το όνομά του από την ημερομηνία ανακάλυψής του, προήλθε από ένα δυαδικό σύστημα μαύρων τρυπών με μάζα περίπου 20 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του Ήλιου.
Με το μοντέλο τους, οι ερευνητές έδειξαν ότι ένα τέτοιο σύστημα θα μπορούσε να έχει συγχωνευθεί μέσα σε ένα πυκνό νέφος σκοτεινής ύλης και να παράγει βαρυτικά κύματα παρόμοια με το GW190728.
Ο δρ Χόσου Αουρεκοετσέα, ερευνητής στο Τμήμα Φυσικής του MIT και συν-συγγραφέας της μελέτης, δήλωσε: «Γνωρίζουμε ότι η σκοτεινή ύλη υπάρχει γύρω μας. Απλώς πρέπει να είναι αρκετά πυκνή ώστε να μπορούμε να δούμε τις επιδράσεις της.
Οι μαύρες τρύπες προσφέρουν έναν μηχανισμό που μπορεί να ενισχύσει αυτή την πυκνότητα και πλέον μπορούμε να την αναζητήσουμε αναλύοντας τα βαρυτικά κύματα που εκπέμπονται όταν συγχωνεύονται».
Ωστόσο, οι ερευνητές αποφεύγουν να ισχυριστούν ότι ανίχνευσαν οριστικά σκοτεινή ύλη.
Αντίθετα, υποστηρίζουν ότι αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο εντοπισμού πιθανών ενδείξεων σκοτεινής ύλης στα δεδομένα βαρυτικών κυμάτων, τις οποίες οι φυσικοί θα μπορούν στη συνέχεια να εξετάζουν και να επιβεβαιώνουν με άλλες τεχνικές.
Ο Σούμεν Ρόι, από το Βασιλικό Αστεροσκοπείο του Βελγίου, δήλωσε: «Πλέον έχουμε τη δυνατότητα να ανακαλύψουμε σκοτεινή ύλη γύρω από μαύρες τρύπες, καθώς οι ανιχνευτές LVK συνεχίζουν να συλλέγουν δεδομένα τα επόμενα χρόνια.
Είναι μια συναρπαστική εποχή για την αναζήτηση νέας φυσικής μέσω των βαρυτικών κυμάτων».
